Abitur NRW Chemie 2023 · LK · Haupttermin

Aufgabenstellung: Anlaufen und Reinigen von Silber

Fachspezifische Vorgaben

Silber besitzt viele Eigenschaften, die es für Gebrauchsgegenstände nützlich machen. Es hat unter allen Metallen den höchsten Glanz und wirkt bakterientötend. Somit sind Silbergegenstände nicht nur optisch schön, sondern auch hygienisch. Daher findet Silber auch Verwendung bei der Herstellung von Besteck.

Silberbesteck besteht meistens nicht aus reinem Silber, da Silber nicht hart genug ist und das Besteck sich leicht verformen würde. Bei Silberbesteck aus „Hartsilber“ wird ein aus einem Stahlkern bestehendes Besteck galvanisch mit einer dünnen Silberschicht überzogen.

Experimente zum Versilbern einer Gabel

Eine elektrochemische Silberabscheidung ist häufig schwierig, da sich Silber oftmals nicht als gleichmäßige Schicht, sondern in Form von unregelmäßigen Verästelungen abscheidet.

a) In einem Laborexperiment konnte das Versilbern einer Gabel aus Eisen nachvollzogen werden. Hierzu legte man eine Eisengabel in eine Silbernitrat-Lösung. Innerhalb weniger Minuten bildeten sich kleine schwarze Verästelungen an der Eisengabel.

b) In einem weiteren Experiment verwendete man ein Becherglas, welches mit einer alkalischen Silbernitrat-Lösung der Konzentration $c = 1\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ und $\mathrm{pH} = 14$ gefüllt wurde. Die Gabel und ein Silberblech wurden in die Lösung gebracht und mit den Polen einer Gleichspannungsquelle verbunden. Im Anschluss wurde mit einer Stromstärke von $5\ \mathrm{Ampere}$ für $10\ \mathrm{Minuten}$ galvanisiert.

c) In Experiment b) wurde das Silberblech durch eine Graphitelektrode ausgetauscht. Die Gabel überzog sich mit einer Silberschicht. Im Gegensatz zur Verwendung einer Anode aus Silber beobachtete man hier eine Gasentwicklung an der Graphitelektrode.

Anlaufen von Silber

Obwohl es sich bei Silber um ein Edelmetall handelt, läuft es mit der Zeit an. In einem Buch zu Korrosion und Korrosionsschutz kann man folgende Zitate finden:

„In trockenen und feuchten Atmosphären ist Silber immun gegen korrosiven Angriff. Eine Oxidation zu $\mathrm{Ag_2O}$ unterhalb $180\ \mathrm{^{\circ}C}$ ist zwar nachzuweisen, eine sichtbare Oxidschicht tritt nicht auf.“

„Die Ursache für dieses Anlaufen sind dünne Schichten aus dem schwarzen $\mathrm{Ag_2S}$, die sich an der Oberfläche bilden, selbst wenn nur Spuren von $\mathrm{H_2S}$ in der Atmosphäre zugegen sind. Über den Reaktionsmechanismus ist man sich nicht im Klaren, und auch die stöchiometrischen Verhältnisse sind nicht geklärt. Im Einzelnen ist die Frage offen, ob der Anlaufvorgang [...] unter der Beteiligung von Luftsauerstoff abläuft.“

Die hier zu vermutenden Teilreaktionen mit den entsprechenden Standardpotentialen $E^\circ$ lauten:

$2\ \mathrm{Ag} + \mathrm{H_2S} \rightleftharpoons \mathrm{Ag_2S} + 2\ \mathrm{H^+} + 2\ \mathrm{e^-}$

$-0{,}036\ \mathrm{V}$

$4\ \mathrm{OH^-} \rightleftharpoons \mathrm{O_2} + 2\ \mathrm{H_2O} + 4\ \mathrm{e^-}$

$0{,}4\ \mathrm{V}$

$\mathrm{Ag} \rightleftharpoons \mathrm{Ag^+} + \mathrm{e^-}$

$0{,}8\ \mathrm{V}$

Behandlung von angelaufenem Silber im Labor

Auch Silberbleche im Labor laufen mit der Zeit an. Hält man ein angelaufenes Reinsilberblech in die nichtleuchtende Brennerflamme, so wird dieses wieder blank.

Reinigen von angelaufenem Silberbesteck im Haushalt

In Haushaltsratgebern werden unterschiedliche Maßnahmen zum Reinigen des angelaufenen Silberbestecks vorgeschlagen:

Zahnpasta-Methode: Mit einer weichen Bürste wird das Besteck vorsichtig mit Zahnpasta eingerieben. Die Silbersulfid-Schicht wird hierbei mechanisch abgetragen. Anschließend wird die Paste mit Wasser abgewaschen.

Aluminium-Salz-Methode: In einer Schüssel werden mehrere Teelöffel Kochsalz mit warmem Wasser vermischt, bis sich das Salz gelöst hat. Dann gibt man ein wenig Essig hinzu. Das Silberbesteck wird locker in Aluminiumfolie eingewickelt, sodass es Kontakt mit der Folie hat und für $10\ \mathrm{Minuten}$ in dieser Lösung belassen. Bei diesem Verfahren werden die Silber-Ionen wieder in Silber-Atome umgewandelt. Die freiwerdenden Sulfid-Ionen reagieren in der essigsauren Lösung zunächst zu Hydrogensulfid-Ionen ($\mathrm{HS^-}$) und weiter zu Schwefelwasserstoff-Molekülen ($\mathrm{H_2S}$).

Nach dem Auspacken des Silberbestecks aus der Aluminiumfolie ist das Besteck wieder blank. Die Aluminiumfolie weist eine raue Oberfläche und kleine Löcher auf. Der Geruch von Schwefelwasserstoff ist wahrzunehmen.

Zusatzinformationen

Faraday-Konstante:

$F = 96485\ \mathrm{A\cdot s\cdot mol^{-1}}$

Faraday-Gesetz:

$I\cdot t = n\cdot z\cdot F$

Molare Masse Silber:

$M(\mathrm{Ag}) = 107{,}9\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$

Sonderform der Nernst-Gleichung für Sauerstoff-Halbzellen:

$E(\mathrm{OH^-/O_2, H_2O}) = E^\circ(\mathrm{OH^-/O_2, H_2O}) + \frac{0{,}059\ \mathrm{V}}{4}\cdot \lg\left(\frac{1}{c^4(\mathrm{OH^-})}\right)$

reduzierte Form

$\rightleftharpoons$

oxidierte Form $+ z\cdot \mathrm{e^-}$

Standardpotential $E^\circ$ in $\mathrm{V}$

$\mathrm{Al}$

$\rightleftharpoons$

$\mathrm{Al^{3+}} + 3\ \mathrm{e^-}$

$-1{,}66$

$\mathrm{Fe}$

$\rightleftharpoons$

$\mathrm{Fe^{2+}} + 2\ \mathrm{e^-}$

$-0{,}41$

$4\ \mathrm{OH^-}$

$\rightleftharpoons$

$\mathrm{O_2} + 2\ \mathrm{H_2O} + 4\ \mathrm{e^-}$

$+0{,}40\ (\mathrm{pH}=14)$

$\mathrm{Ag}$

$\rightleftharpoons$

$\mathrm{Ag^+} + \mathrm{e^-}$

$+0{,}80$

1.

Erläutern Sie die Beobachtungen aus Experiment a), bei dem keine Spannung angelegt wurde, anhand passender Reaktionsgleichungen. Berechnen Sie die Masse des Silbers, die in Experiment b) abgeschieden wird. Erläutern Sie, welchen Vorteil Silber als Anodenmaterial (Experiment b)) im Vergleich zu Graphit (Experiment c)) bietet, und beziehen Sie dabei die Reaktionsgleichungen beider Elektrodenvorgänge ein. [18 Punkte]

2.

Berechnen Sie die minimale Spannung, die erforderlich ist, um einen Gegenstand wie in Experiment c) zu versilbern. Erläutern Sie anhand der NERNST-Gleichung, wie sich die Hydroxid-Ionen-Konzentration auf die erforderliche Spannung auswirkt. Beurteilen Sie, ob das galvanische Versilbern von Gegenständen zweckmäßiger ist, als sie nur in eine Silbersalz-Lösung einzutauchen. [16 Punkte]

3.

Erklären Sie die Beobachtungen, die bei der Laborbehandlung von angelaufenem Silber gemacht werden. Beurteilen Sie die Aussagen der Zitate zum Anlaufen von Silber, wobei Sie davon ausgehen, dass die angegebenen Reaktionen diesen Vorgang bewirken. [14 Punkte]

4.

Erläutern Sie die elektrochemischen Vorgänge bei der Silberreinigung nach der Aluminium-Salz-Methode und geben Sie dazu Reaktionsgleichungen an. Beurteilen Sie die beiden Reinigungsverfahren, indem Sie deren Vor- und Nachteile einander gegenüberstellen. [18 Punkte]

Fachspezifische Vorgaben:

Ballistische Schutzwesten, im Alltag oft „kugelsichere Westen“ genannt, sollen Personen, die sie tragen, vor lebensgefährlichen Verletzungen durch Geschosse aus Schusswaffen bewahren. Polizeikräfte setzen sie weltweit im Einsatz ein.

Das Geschoss bleibt nach einem Beschuss in der Weste und die Energie des Einschlags wird auf eine möglichst große Fläche verteilt. Damit dies sicher gelingt, bestehen die Kleidungsstücke aus einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV), einem Werkstoff, bei dem Verstärkungsfasern in einen Kunststoff (Matrix) eingebettet werden. Der FKV muss sehr reißfest sein und darf auch bei hohen Temperaturen nicht schmelzen.

Herstellung der Matrix

Die Matrix besteht aus einem Copolymer, das aus $\alpha$-Methylstyrol und einem kurzkettigen Polyester-Präpolymer gebildet wird.

Das benötigte $\alpha$-Methylstyrol wird in einem zweischrittigen Verfahren gewonnen. Zuerst reagieren in einer säurekatalysierten Reaktion Propen und Benzol zu Cumol. Anschließend erfolgt eine Dehydrierung, die das Monomer bildet.

Herstellung der Verstärkungsfasern

Es gibt unterschiedliche Verstärkungsfasern, die sich für den Einsatz in einer solchen Art von Schutzweste eignen. Am häufigsten werden Fasern aus Polyaramid oder Hochleistungspolyethen verwendet. Hochleistungspolyethen besteht aus völlig unverzweigten, d. h. nur linearen Ketten, während die Polymerketten in normalem Polyethen auch Verzweigungen haben. Beide Kunststoffe, Polyaramid und Hochleistungspolyethen, werden nach der Herstellung zuerst gesponnen und danach verstreckt, so dass große Bereiche mit parallelen Molekülketten entstehen (kristalline Bereiche). Die fertigen Fasern bettet man bei der Matrixbildung ein, es entsteht eine Platte aus einem Faser-Kunststoff-Verbund.

Zusatzinformationen:

Kristallisationsgrad

Die Kristallisation ist der Übergang eines Kunststoffs in einen hochgeordneten Zustand. Der Kristallisationsgrad gibt an, welcher Anteil des Werkstoffs diesen Zustand erreicht hat.

Zugfestigkeit

Ein Probekörper mit definierten Abmessungen wird mittels einer Prüfmaschine auseinandergezogen. Die maximale Kraft pro mm² bis zum Zerreißen ist die Zugfestigkeit.

Tabelle 1: Kristallisationsgrad und Zugfestigkeit von Polyaramid und verschiedenen Polyethen-Sorten · Kristallisationsgrad · Zugfestigkeit

Polyaramid · 52 % · 2800 – 2900 N/mm²

Hochleistungspolyethen · 85 % · 3000 – 4000 N/mm²

Polyethen (LD)¹ · 35 – 50 % · 20 N/mm²

Polyethen (HD)² · 55 – 75 % · 27 N/mm²

¹ Polyethen (LD): Polyethen mit einer geringen Dichte (0,915 g/cm³ bis 0,935 g/cm³)

² Polyethen (HD): Polyethen mit einer hohen Dichte (0,94 g/cm³ bis 0,97 g/cm³)

Aufgabenstellung: Ballistische Schutzwesten

1.

Geben Sie die Monomere und den Reaktionstyp an, nach dem das Polyester-Präpolymer synthetisiert wird. Erläutern Sie die Bildung des Polyester-Präpolymers mithilfe einer Reaktionsgleichung in Strukturformeln und erklären Sie, durch welche Maßnahmen sich die Reaktion im Sinne einer höheren Produktausbeute lenken lässt. [16 Punkte]

3.

Erklären Sie die einzelnen Schritte, in denen aus α-Methylstyrol bei Zugabe eines organischen Peroxids Poly-α-methylstyrol entsteht. Geben Sie zu diesen Teilschritten Reaktionsschemata an. Begründen Sie, weshalb in Schutzwesten das Copolymer aus α-Methylstyrol und dem Polyester-Präpolymer statt Poly-α-methylstyrol verwendet wird. [16 Punkte]

4.

Vergleichen Sie unter Verwendung passender Strukturformelausschnitte die zwischenmolekularen Wechselwirkungen im Polyaramid mit denen im Hochleistungspolyethen. Erklären Sie den Einfluss von Verzweigungen in Polyethenketten auf die zwischenmolekularen Wechselwirkungen. Erläutern Sie, weshalb die Art der zwischenmolekularen Wechselwirkungen allein nicht genügt, um die Zugfestigkeit der Fasern zu beurteilen. [18 Punkte]

Fachspezifische Vorgaben:

Ballistische Schutzwesten, im Alltag oft „kugelsichere Westen“ genannt, sollen Personen, die sie tragen, vor lebensgefährlichen Verletzungen durch Geschosse aus Schusswaffen bewahren. Polizeikräfte setzen sie weltweit im Einsatz ein.

Das Geschoss bleibt nach einem Beschuss in der Weste und die Energie des Einschlags wird auf eine möglichst große Fläche verteilt. Damit dies sicher gelingt, bestehen die Kleidungsstücke aus einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV), einem Werkstoff, bei dem Verstärkungsfasern in einen Kunststoff (Matrix) eingebettet werden. Der FKV muss sehr reißfest sein und darf auch bei hohen Temperaturen nicht schmelzen.

Herstellung der Matrix

Die Matrix besteht aus einem Copolymer, das aus $\alpha$-Methylstyrol und einem kurzkettigen Polyester-Präpolymer gebildet wird.

Das benötigte $\alpha$-Methylstyrol wird in einem zweischrittigen Verfahren gewonnen. Zuerst reagieren in einer säurekatalysierten Reaktion Propen und Benzol zu Cumol. Anschließend erfolgt eine Dehydrierung, die das Monomer bildet.

Herstellung der Verstärkungsfasern

Es gibt unterschiedliche Verstärkungsfasern, die sich für den Einsatz in einer solchen Art von Schutzweste eignen. Am häufigsten werden Fasern aus Polyaramid oder Hochleistungspolyethen verwendet. Hochleistungspolyethen besteht aus völlig unverzweigten, d. h. nur linearen Ketten, während die Polymerketten in normalem Polyethen auch Verzweigungen haben. Beide Kunststoffe, Polyaramid und Hochleistungspolyethen, werden nach der Herstellung zuerst gesponnen und danach verstreckt, so dass große Bereiche mit parallelen Molekülketten entstehen (kristalline Bereiche). Die fertigen Fasern bettet man bei der Matrixbildung ein, es entsteht eine Platte aus einem Faser-Kunststoff-Verbund.

Zusatzinformationen:

Kristallisationsgrad

Die Kristallisation ist der Übergang eines Kunststoffs in einen hochgeordneten Zustand. Der Kristallisationsgrad gibt an, welcher Anteil des Werkstoffs diesen Zustand erreicht hat.

Zugfestigkeit

Ein Probekörper mit definierten Abmessungen wird mittels einer Prüfmaschine auseinandergezogen. Die maximale Kraft pro mm² bis zum Zerreißen ist die Zugfestigkeit.

Tabelle 1: Kristallisationsgrad und Zugfestigkeit von Polyaramid und verschiedenen Polyethen-Sorten · Kristallisationsgrad · Zugfestigkeit

Polyaramid · 52 % · 2800 – 2900 N/mm²

Hochleistungspolyethen · 85 % · 3000 – 4000 N/mm²

Polyethen (LD)¹ · 35 – 50 % · 20 N/mm²

Polyethen (HD)² · 55 – 75 % · 27 N/mm²

¹ Polyethen (LD): Polyethen mit einer geringen Dichte (0,915 g/cm³ bis 0,935 g/cm³)

² Polyethen (HD): Polyethen mit einer hohen Dichte (0,94 g/cm³ bis 0,97 g/cm³)

2. Erläutern Sie den Ablauf der Reaktion, mit der Cumol aus Benzol und Propen hergestellt wird, in einzelnen Schritten und nennen Sie dabei den Reaktionstyp. Geben Sie mit Begründung ein mögliches Nebenprodukt an. [16 Punkte]

a)

b)

Ablauf der Reaktion in einzelnen Schritten (Reaktionsgleichungen mit Strukturformeln):

c)

d)

Fachspezifische Vorgaben:

Carmoisin (E 122) ist ein synthetischer, in Europa zugelassener Lebensmittelfarbstoff. Das feste Natriumsalz ist gut wasserlöslich und beständig gegen Licht und Hitze. Das Extinktionsmaximum von Carmoisin liegt bei 516 nm. Carmoisin wird aufgrund seiner intensiven Farbe u. a. für Getränke, Süß- und Zuckerwaren, Marzipan, Puddingpulver, Kunstspeiseeis, Fruchtkonserven, Fertigsuppen und Paniermehl verwendet.

Carmoisin kann aus bicyclischen Kohlenwasserstoffverbindungen hergestellt werden, die ein Naphthalin-Grundgerüst tragen. Naphthalin (Stoff A) ist ein weißer Feststoff, der in unpolaren Lösemitteln gut löslich ist. Gibt man elementares Brom ($\text{Br}_2$) zu einer Naphthalinlösung, entfärbt sich die Lösung nicht. Im Vergleich dazu entfärbt sich eine Lösung aus 1,2,3,4,5,8-Hexahydronaphthalin (Stoff B) und elementarem Brom schnell.

Für die Carmoisin-Synthese können die beiden Naphthalin-Derivate 1-Hydroxynaphthalin (1-Naphthol) und 1-Aminonaphthalin eingesetzt werden (Abbildung 1). Beide Verbindungen werden zunächst sulfoniert, indem sie mit konzentrierter Schwefelsäure ($\text{H}_2\text{SO}_4$) versetzt werden. Dabei dienen Schwefeltrioxid-Moleküle ($\text{SO}_3$) als Reaktionspartner, die in der konzentrierten Schwefelsäure gelöst vorliegen. Bei der Sulfonierung (Schritte Ia und Ib) entstehen 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonsäure und 4-Aminonaphthalin-1-sulfonsäure. Beide Verbindungen lassen sich in verdünnter Natronlauge lösen und reagieren unter bestimmten Bedingungen zum gewünschten Farbstoff Carmoisin. Dabei wird 4-Aminonaphthalin-1-sulfonsäure zunächst in ein Zwischenprodukt überführt (Schritt II) und der Reaktionsansatz anschließend mit 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonsäure versetzt (Schritt III).

Konzentrationsbestimmung

Lebensmittel mit Farbstoffen aus der Farbstoffklasse, der auch Carmoisin angehört, tragen seit 2010 verpflichtend den Warnhinweis „Kann Aktivität und Aufmerksamkeit bei Kindern beeinträchtigen“. Ob die für die einzelnen Lebensmittel festgelegten Höchstmengen an Farbstoffen eingehalten werden, wird durch Konzentrationsbestimmungen kontrolliert. Enthält eine Limonade Carmoisin als einzigen zugesetzten Farbstoff, kann dessen Konzentration gut fotometrisch bestimmt werden.

Zusatzinformationen:

Als ein Derivat (von lateinisch derivare ‚ableiten‘) wird in der Chemie ein Stoff ähnlicher Struktur bezeichnet. Derivate sind z. B. Stoffe, die an Stelle eines Wasserstoff-Atoms ein anderes Atom oder eine ganze Atomgruppe besitzen bzw. bei denen ein oder mehrere Atome/Atomgruppen entfernt wurden.

Schwefeltrioxid-Moleküle sind planar gebaut und enthalten drei gleichlange Bindungen zwischen dem Schwefel-Atom und den Sauerstoff-Atomen.

Tabelle 1: Zusammenhang von absorbierter Strahlung, zugehöriger Spektralfarbe und beobachteter Komplementärfarbe.

Wellenlänge $\lambda$ in nm · Spektralfarbe · Komplementärfarbe

< 400 · ultraviolett · farblos

400 – 435 · violett · gelbgrün

435 – 480 · blau · gelb

480 – 490 · grünblau · orange

490 – 500 · blaugrün · rot

500 – 560 · grün · purpur

560 – 580 · gelbgrün · violett

580 – 595 · gelb · blau

595 – 605 · orange · grünblau

605 – 770 · rot · blaugrün

Carmoisin – Synthese und Einsatz als Lebensmittelfarbstoff

1.

Geben Sie an, wodurch aromatische Systeme gekennzeichnet sind. Erläutern Sie mithilfe der Molekülstrukturen, warum sich Stoff A (Naphthalin) und Stoff B (1,2,3,4,5,8-Hexahydronaphthalin) gegenüber Brom unterschiedlich verhalten. Erläutern Sie, wie die Reaktion zwischen Stoff B und Brom in einzelnen Schritten abläuft. (16 Punkte)

2.

Geben Sie an, um welchen Reaktionstyp es sich bei der Sulfonierung von 1-Naphthol handelt. Erläutern Sie diese Reaktion in ihren einzelnen Schritten. Begründen Sie, an welcher Position 1-Naphthol sulfoniert wird. (12 Punkte)

3.

Entwickeln Sie eine Reaktionsgleichung für die Reaktion in Schritt II der Carmoisin-Synthese und nennen Sie dabei den Reaktionstyp sowie die beteiligten Stoffe. Geben Sie begründend an, welche Reaktionsbedingungen in diesem Schritt eingehalten werden müssen. Entwickeln Sie außerdem eine Reaktionsgleichung für die Reaktion in Schritt III der Carmoisin-Synthese und geben Sie dabei den Reaktionstyp an. (18 Punkte)

Fachspezifische Vorgaben:

Carmoisin (E 122) ist ein synthetischer, in Europa zugelassener Lebensmittelfarbstoff. Das feste Natriumsalz ist gut wasserlöslich und beständig gegen Licht und Hitze. Das Extinktionsmaximum von Carmoisin liegt bei 516 nm. Carmoisin wird aufgrund seiner intensiven Farbe u. a. für Getränke, Süß- und Zuckerwaren, Marzipan, Puddingpulver, Kunstspeiseeis, Fruchtkonserven, Fertigsuppen und Paniermehl verwendet.

Carmoisin kann aus bicyclischen Kohlenwasserstoffverbindungen hergestellt werden, die ein Naphthalin-Grundgerüst tragen. Naphthalin (Stoff A) ist ein weißer Feststoff, der in unpolaren Lösemitteln gut löslich ist. Gibt man elementares Brom ($\text{Br}_2$) zu einer Naphthalinlösung, entfärbt sich die Lösung nicht. Im Vergleich dazu entfärbt sich eine Lösung aus 1,2,3,4,5,8-Hexahydronaphthalin (Stoff B) und elementarem Brom schnell.

Für die Carmoisin-Synthese können die beiden Naphthalin-Derivate 1-Hydroxynaphthalin (1-Naphthol) und 1-Aminonaphthalin eingesetzt werden (Abbildung 1). Beide Verbindungen werden zunächst sulfoniert, indem sie mit konzentrierter Schwefelsäure ($\text{H}_2\text{SO}_4$) versetzt werden. Dabei dienen Schwefeltrioxid-Moleküle ($\text{SO}_3$) als Reaktionspartner, die in der konzentrierten Schwefelsäure gelöst vorliegen. Bei der Sulfonierung (Schritte Ia und Ib) entstehen 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonsäure und 4-Aminonaphthalin-1-sulfonsäure. Beide Verbindungen lassen sich in verdünnter Natronlauge lösen und reagieren unter bestimmten Bedingungen zum gewünschten Farbstoff Carmoisin. Dabei wird 4-Aminonaphthalin-1-sulfonsäure zunächst in ein Zwischenprodukt überführt (Schritt II) und der Reaktionsansatz anschließend mit 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonsäure versetzt (Schritt III).

Konzentrationsbestimmung

Lebensmittel mit Farbstoffen aus der Farbstoffklasse, der auch Carmoisin angehört, tragen seit 2010 verpflichtend den Warnhinweis „Kann Aktivität und Aufmerksamkeit bei Kindern beeinträchtigen“. Ob die für die einzelnen Lebensmittel festgelegten Höchstmengen an Farbstoffen eingehalten werden, wird durch Konzentrationsbestimmungen kontrolliert. Enthält eine Limonade Carmoisin als einzigen zugesetzten Farbstoff, kann dessen Konzentration gut fotometrisch bestimmt werden.

Zusatzinformationen:

Als ein Derivat (von lateinisch derivare ‚ableiten‘) wird in der Chemie ein Stoff ähnlicher Struktur bezeichnet. Derivate sind z. B. Stoffe, die an Stelle eines Wasserstoff-Atoms ein anderes Atom oder eine ganze Atomgruppe besitzen bzw. bei denen ein oder mehrere Atome/Atomgruppen entfernt wurden.

Schwefeltrioxid-Moleküle sind planar gebaut und enthalten drei gleichlange Bindungen zwischen dem Schwefel-Atom und den Sauerstoff-Atomen.

Tabelle 1: Zusammenhang von absorbierter Strahlung, zugehöriger Spektralfarbe und beobachteter Komplementärfarbe.

Wellenlänge $\lambda$ in nm · Spektralfarbe · Komplementärfarbe

< 400 · ultraviolett · farblos

400 – 435 · violett · gelbgrün

435 – 480 · blau · gelb

480 – 490 · grünblau · orange

490 – 500 · blaugrün · rot

500 – 560 · grün · purpur

560 – 580 · gelbgrün · violett

580 – 595 · gelb · blau

595 – 605 · orange · grünblau

605 – 770 · rot · blaugrün

4. Erklären Sie anhand von Carmoisin, wie Lichtabsorption und Farbigkeit zusammenhängen, und beziehen Sie dabei Tabelle 1 sowie das genannte Extinktionsmaximum ein. Begründen Sie die Farbigkeit von Carmoisin mithilfe seiner Molekülstruktur. Erläutern Sie die Grundlagen und die Durchführung des fotometrischen Messverfahrens am Beispiel der Konzentrationsbestimmung von Carmoisin in Limonade. (20 Punkte)

a)

b)

c)